Điều khiển thích nghi hệ thống lái tự động tàu thủy dưới ảnh hưởng của thời gian trễ dựa trên logic mờ

Bài viết phân tích sự ảnh hưởng của thời gian trễ điều khiển đến ổn định và đáp ứng của hệ thống lái tàu thủy. Giải pháp xây dựng mô hình điều khiển thích nghi dựa trên kỹ thuật điều khiển Mờ được đề cập nhằm triệt tiêu những ảnh hưởng tiêu cực của thời gian trễ đến chất lượng điều khiển của hệ thống.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển thích nghi hệ thống lái tự động tàu thủy dưới ảnh hưởng của thời gian trễ dựa trên logic mờ CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG TÀU THỦY DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TRỄ DỰA TRÊN LOGIC MỜ Adaptive Control of Ship Autopilot under the Effect of Time- delay Based on Fuzzy Logic TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN, TS. NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG Trường Đại học GTVT Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo phân tích sự ảnh hưởng của thời gian trễ điều khiển đến ổn định và đáp ứng của hệ thống lái tàu thủy. Giải pháp xây dựng mô hình điều khiển thích nghi dựa trên kỹ thuật điều khiển Mờ được đề cập nhằm triệt tiêu những ảnh hưởng tiêu cực của thời gian trễ đến chất lượng điều khiển của hệ thống. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy tính hiệu quả và ưu điểm của phương pháp đưa ra. Abstract This paper aims to provide analysis the effect of controlled time-delay on the stabilization and the response of the Ship autopilot system. We have proposed the solution of the design model based on fuzzy logic technology to eliminate the negative effects of time-delay on the quality of the system. The simulation results via Matlab demonstrate the usefulness and effectiveness of the proposed method. Key words: Autopilot system, fuzzy logic, time delay. 1. Đặt vấn đề Trong bài báo này, để đơn giản phần mô hình toán của tàu thủy, các tác giả lựa chọn đối tượng thiết kế hệ thống lái tự động điều khiển hướng đi cho tàu hàng dựa trên việc điều chỉnh góc bẻ bánh lái [1-3]. Khảo sát các phương pháp điều khiển mờ thích nghi hệ thống lái tự động tàu thủy [1] khi hệ thống xem xét là đối tượng phi tuyến và không xác định được đề cập trong [2], trong đó thuật toán mờ Takagi-Sugeno được áp dụng dưới mô hình điều khiển thích nghi. Cũng bằng phương pháp mờ thích nghi, bài toán điều khiển lái tự động tàu thủy bám theo hành trình xác định trước [3], [6] đã được giải quyết khá triệt để, kết quả cho thấy hệ thống làm việc ổn định nhưng chưa đề cập tới ảnh hưởng của nhiễu trong quá trình hoạt động. Với kỹ thuật điều khiển mờ thích nghi [4], sử dụng bộ điều khiển nơ ron [8] điều khiển lai ghép giữa mờ và nơ ron [7], khi ứng dụng vào các đối tượng điều khiển khác như ngư lôi, kết quả cho thấy việc áp dụng lý thuyết mờ và mờ lai trong điều khiển ngày nay đã trở thành kỹ thuật kinh điển và phổ biến. Đối với những đối tượng điều khiển có thời gian trễ, mô hình dự đoán Smith là mô hình có thể triệt tiêu hoàn toàn ảnh hưởng của trễ tín hiệu chỉ sau một vài chu kỳ điều khiển, liên quan đến mô hình dự đoán Smith tự thích nghi kết hợp với thuật toán nhận dạng đưa ra trong [6] với kết quả triệt tiêu hoàn toàn thời gian trễ của đối tượng điều khiển giúp cho hệ thống hoạt động ổn định hơn, tuy nhiên khi kết hợp mô hình này với một bộ điều khiển mờ thích nghi thì kết quả sẽ như thế nào? Trong bài báo này, các tác giả đưa ra một phương pháp mới thiết kế hệ thống lái tự động tàu thủy, đó là sử dụng mô hình dự đoán Smith bao gồm bộ điều khiển PID mờ kết hợp với cơ chế ước lượng thời gian trễ điều khiển ứng dụng logic mờ. Bằng mô phỏng trên Matlab, tính ổn định và hiệu quả của phương pháp đưa ra đã được chứng minh. 2. Phân tích hệ thống lái tự động tàu thủy với ảnh hưởng của thời gian trễ 2.1. Mô hình động học tàu thủy Hệ phương trình này phụ thuộc vào trạng thái mặt biển, dòng chảy, hướng gió..., vì vậy mô hình động học tương đối phức tạp và chịu ảnh hưởng rất lớn từ các yếu tố bên ngoài. Theo [1], mô hình động học của tàu hàng đã mô tả đầy đủ, hệ thống điều khiển hướng đi của tàu bằng cách thay đổi góc bẻ lái theo góc đặt trên la bàn. Như vậy, mô hình động học tàu thủy với tốc độ không đổi có thể được mô tả bằng hệ phương trình sau: x  Ax  Bu (1) y  Cx  Du (2) Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 80  CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Trong đó: x  R 3 , u  R1 , y  R1 . Theo [8] các ma trận trọng số A, B, C, D có giá trị như sau:  0.895 0.286 0   0.108      A   4.367 0.918 0  , B   0.918  , C   0 0 1 , D  0 (3)  0 0   0   1   Mục tiêu là tìm bộ điều khiển bền vững cho hệ thống để điều chỉnh hướng đi của con tàu theo hướng đặt trước, như vậy hệ thống phải đáp ứng một số yêu cầu và giới hạn sau: Không bị mất tín hiệu đáp ứng đầu ra của y trong suốt quá trình điều khiển. Góc bẻ lái giới hạn: u  400 .Tốc độ bẻ lái giới hạn: u  100 / s . 2.2. Phân tích hệ thống lái tự động tàu thủy dựa trên mô hình dự đoán Smith Thực tế trong quá trình điều khiển các đối tượng vật lý có quán tính lớn như tàu thủy thì vấn đề xử lý thời gian trễ tương đối phức tạp, đặc biệt đối với những bộ điều khiển yêu cầu đáp ứng tín hiệu phản hồi nhanh. yp r Ks u G p s  p(s)  e ypm ys ...